Éxico celda de combustible: análisis teórico del rendimiento … · 2012. 5. 30. · las celdas...

Científica, vol. 15, núm. 4, pp. 189-195, octubre-diciembre 2011. ISSN 1665-0654, ESIME IPN México.

Científica, vol.15, núm. 4, pp. 189-195, octubre-diciembre 2011.

ISSN 1665-0654, ESIME Instituto Politécnico Nacional MÉXICO.

Celda de combustible: análisis teórico delrendimiento eléctrico de hidrógenoalmacenado en fase sólidaI. A. Vértiz-Maldonado1

C. A. González-Rodríguez2

A. Miranda-Cid2

1 Sección de Estudios de Posgrado e Investigación,Escuela Superior de Ingeniería Mecánica y Eléctrica Zacatenco,Instituto Politécnico Nacional.Edificio 5, 2º piso, Unidad Profesional ‘Adolfo López Mateos’,Col. Lindavista, CP 07738, México, DF.MÉXICO.

2 Universidad Politécnica del Valle de México.Av. Mexiquense s/n, esquina Av. Universidad Politécnica,Col. Villa Esmeralda, CP 54910, Tultitlán, Edo de México.MÉXICO.

Tel. (+52) 55 2145 2161, (+52) 55 5062 6460

correo electrónico (email): [email protected]

Recibido el 18 de octubre de 2010; aceptado el 16 de junio de 2011.

1. Resumen

En este trabajo se presenta una metodología para determinar

el efecto del almacenamiento de hidrógeno en una estructura

de fase sólida formada por hidruro de magnesio (acumula-

ción de hidrógeno). Se realiza un análisis comparativo del

porcentaje teórico que es capaz de almacenar en peso este

hidruro que es del 7.59%, mientras que el obtenido en un

experimento de hidruración es de 5.955% en peso. Lo ante-

rior se llevó acabo con el fin de determinar el rendimiento

de energía acumulada en 1000 g de MgH2, para así, al deter-

minar el volumen de hidrógeno almacenado y que esté en

condición de establecer el tiempo de funcionamiento de di-

versos motores operando a distintos voltajes, así como, efec-

tos de trabajo, tales como: tiempo de funcionamiento y ener-

gía consumida.

Palabras clave: hidruro, fase sólida, rendimiento, absorción.

2. Abstract (Fuel Cell: Theoretical Efficiency ElectricalAnalysis of Stored Hydrogen in Solid Phase)

In this paper it is proposed a methodology to determine the

Hydrogen storage effect as part of a solid phase structure

made from Magnesium Hydride. It is developed a comparative

analysis between the theoretical storage percentage results

against experimental data. The main target of this work is to

determine the energy accumulated in 1000 g of MgH2, as

well as the electric current intensity and to obtain the service

time that diverse motors could provide. Additionally, some

working effects, are analyzed such as; work time and energy

consumption.

Key words: hydride, solid phase, performance, adsorption.

3. Introducción

El hidrógeno es un elemento químico que, en condiciones

normales de presión y temperatura, es un gas diatómico (H2),

incoloro, inodoro, insípido, no metálico y altamente flamable

[1]. El gran inconveniente del hidrógeno al ser aplicado como

fuente de energía es que no es una fuente primaria, lo que

significa que debe de ser altamente procesado para poder ser

utilizado. Sin embargo, una gran cualidad que presenta el

hidrógeno es que puede ser comprimido y almacenado por

largos periodos en recipientes a presión [2].

Actualmente, el hidrógeno tiene una gran aplicación en la

generación de energía eléctrica. En particular en la alimen-

tación de celdas de combustible para la generación de elec-

tricidad. Una de las características más ventajosas del hidró-

geno es que este elemento químico es el más abundante en el

universo y puede ser encontrado en la superficie terrestre

con gran facilidad. El hidrógeno tiene una densidad de 0.8376

kg m3, por lo que su almacenamiento como gas no requiere

de volúmenes muy grandes [3].

Este elemento químico contiene mayor energía por unidad

de masa, que algunos otros. Sin embargo, menor energía

por unidad de volumen [4]. Razón por la cual, uno de los

retos a vencer en la aplicación y utilización del hidrógeno

189


Celda de combustible: análisis teórico del rendimiento eléctrico

de hidrógeno almacenado en fase sólida

como combustible, es su almacenamiento, para lo cual es

necesario definir la cantidad de energía que es posible ob-

tener por unidad de volumen almacenado [5].

Estos conceptos, así como el ajuste a punto de las pilas de

combustible, constituyen los vínculos tecnológicos que con-

cretan el establecimiento en la economía de la utilización

del hidrógeno [6].

En este trabajo se presenta el desarrollo de una metodología

muy simple para determinar el valor de la carga producida

por el hidrógeno y el tiempo de desempeño energético que

puede proporcionar un motor accionado por este medio, se

plantea así mismo, realizar una comparación con valores

obtenidos de manera analítica contra los encontrados en for-

ma experimental.

El objetivo básico del trabajo de investigación que aquí se pre-

senta, es introducir al lector de una manera muy simple a las

posibles aplicaciones de celdas de combustible de hidrógeno.

4. Generalidades teóricas

La celda de combustible de Hidrógeno, es un dispositivo

electroquímico de conversión de energía, que permite el

reabastecimiento continuo de los reactivos consumidos. Es

decir, produce electricidad a partir de una fuente externa,

como son el Hidrógeno y el Oxígeno. Se caracteriza por que

los electrodos son catalíticos y relativamente estables [7]. Esta

característica permite contar con una mejor eficiencia de las

celdas de combustible, debido a las baterías electroquímicas,

donde el almacenamiento de energía se encuentra limitado

debido al consumo de electrodos, los que reaccionan con el

electrolito, originando cambios en su estado energético, ade-

más de que se consumen reactivos sólidos que, al agotarse se

eliminan o bien podrían recargarse mediante el suministro

de una corriente eléctrica [8].

En este sentido, las celdas de combustible ofrecen una res-

puesta factible mediante sistemas de energía miniaturizados

y portátiles. Aun cuando estas celdas presentan eficiencias

que fluctúan entre el 35% y el 76%, son superiores poten-

cialmente en eficiencia a cualquier otro sistema [9-10]. Cabe

señalar que estos equipos ya se empiezan a utilizar en apli-

caciones de baja o alta energía [10-11].

Las celdas de combustible alimentadas por hidrógeno son

silenciosas, además de producir electricidad y calor, como

residuo generan solo vapor de agua [12-13]. En la figura 1

se muestra el diagrama de una celda de combustible ali-

mentada por hidrógeno, asimismo se representa la reac-

ción química característica que se lleva a cabo en este dis-

positivo.

Actualmente, el mayor problema que se presenta en las cel-

das de combustible de hidrógeno, radica en el tiempo de du-

ración de la celda, así como en el costo excesivo implícito

en su desarrollo y manufactura, por lo que es extremada-

mente importante reducir los costos de producción y asegu-

rar periodos prolongados de servicio. En este sentido, la apli-

cación del hidrógeno como fuente energética, ofrece una res-

puesta satisfactoria a los diversos requerimientos energéti-

cos para los distintos sistemas industriales y actualmente son

la mayor y mejor esperanza real para el cambio paulatino de

vehículos de combustión interna a vehículos con motor eléc-

trico a los que se les suministra potencia por medio del hi-

drógeno.

Asimismo, se puede afirmar que el desempeño de la celda de

combustible de hidrógeno depende directamente de la capa-

cidad que se tenga para almacenar el hidrógeno en un siste-

ma portátil. Lo cual se puede llevar a cabo mediante la for-

mación de un hidruro metálico [14], que se obtiene a partir

de la reacción con un metal de transición, como se muestra

en la ecuación 1:

(1)

Dónde:

M metal (magnesio)

x moles

H2

hidrógeno diatómico

Hx

relación atómica del hidrógeno

A partir de esta ecuación se propone llevar a cabo experi-

mentación con la finalidad de definir diversos parámetros

relativos a los volúmenes de hidrógeno que se pueden mane-

jar u obtener para su aplicación a celdas de combustible de

Hidrógeno.

5. Desarrollo experimental

En esta sección se presenta una metodología que permite de-

terminar el porcentaje en peso de hidrógeno, que es posible

obtener mediante la formación de un hidruro metálico, esto

debe basarse en materiales nanoporosos, debido a que la capa-

cidad de adsorción de un metal está íntimamente ligada al

tamaño de la partícula y a la superficie expuesta de esta partí-

cula que es sobre la que se deposita el hidruro, es posible de-

mostrar que, a menor tamaño de partícula, el área disponible

para la adsorción en una misma masa de material es mayor

190

I. A. Vértiz-Maldonado,

C. A. González-Rodríguez, A. Miranda-Cid.

↔M + x H

2M MH

x2


(véase figura 2), esto se explica mediante el siguiente análisis.En esta figura se observa que el área de las caras del cubomayor se encuentra determinada por:

Área = (6) (S) superficie expuesta del cubo y

S = (l) (l) = l2

donde

S área de una cara del cubo, siendo que el área total delcubo es A

c

= 6S = 6l2.

191

Al fragmentar este cubo en ocho partes (fi-gura 2b) se tiene que para cada cubo me-nor su área está determinada por

Scm

= (l/2) (l/2) = l4/S

y el área total de cada cubo menor es igual

Acm

= 6Scm

= 6/4l2

y dado que son ocho cubos menores, el áreatotal expuesta de estas partículas cúbicas,para el mismo volumen es del doble

Acm

= 6/4l2 8 = 12 l2

Para llevar a cabo el almacenamiento de hi-drógeno a partir del hidruro de magnesio,inicialmente se lleva a cabo la molienda delmaterial que pasa por un primer proceso demolienda en el cual, en cinco horas, se ob-tiene lo que se puede denominar caracteri-zación T5 (para tiempo igual a cinco horas)con lo cual se define de hecho un tamaño de

Fig. 1. Diagrama general de una celda de combustible alimentada por hidrógeno.

Fig. 2. Fragmentación para el hidruro: a) bloque original, b) fragmentación en 8 partes.





partícula del material (figura 3). Al prolongar el tiempo de

molienda se lleva al material a una caracterización final para

un proceso de molienda de 12 horas esta caracterización es

denominada T12 (figura 4) y a continuación se procede a uti-

lizar este Hidruro para captar el hidrógeno y de ahí proceder a

determinar la cantidad de hidrógeno que queda contenida en

una muestra de MgH2, la que es obtenida mediante el proceso

de hidruración en que se llevó a cabo la reacción.

Un análisis termogravimétrico de la muestra de MgH2, mos-

tró una cantidad de 5.995 % de H2 en peso desprendido, esto

se utilizó para calcular la eficiencia de acu-

mulación de hidrógeno. El porcentaje teó-

rico de hidrógeno fue obtenido por la reac-

ción:

(2)

La capacidad de almacenamiento del me-

tal viene determinada por sus curvas carac-

terísticas PCT (presión, concentración y

temperatura). En condiciones catalíticas

apropiadas y mediante un aumento de la

temperatura (del orden de los 80-300 ºC)

es posible inducir un fenómeno de desorción

que libera el hidrógeno, haciendo posible

su utilización como fuente de energía [1].

↔Mg + 2H+ MgH2

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La cinética de reacción que detalla las propiedades termodi-

námicas del experimento entre los compuestos metal-hidró-

geno de una fase, se fundamenta en la construcción de

isotermas presión-concentración, conocidas como curvas

PCT. Las cuales se basan en el cambio de presión del gas a

temperatura constante, este proceso tiene tres etapas carac-

terísticas que se especifican en la figura 5 y se mencionan a

continuación:

Etapa 1. Región A-B; baja concentración de hidrógeno, for-

mando solución sólida de H2 en el metal y se defi-

ne como Fase α. Punto B; saturación de la Fase αy comienzo de la nucleación (Fase β) formando

un hidruro estequiométrico.

Etapa 2. Región B-C; transformación de Fase α a Fase βa presión constante, conocida como presión de

equilibrio (Peq). Punto C; formación total del

hidruro.

Etapa 3. Región C-D; disolución del hidrógeno en la Fase β.





Fig. 3. Caracterización de polvo con cinco horas de molienda.

Fig. 4. Caracterización de molienda Mg 12 horas de molienda de alta energía.

1

0.208

0.000

0.256

1.080

4.870

Ra (um)

Rzjis (um)

Rq (um)

Rz (um)

Longth (um)

2

0.102

0.000

0.125

0.596

4.700

3

0.221

0.000

0.252

0.766

2.940

Ra = 0.482 um

Información de la imagen

Rzjis = 3.60 um

Rq = 0.634 um

Sratio = 1.33

Rzjis = 3.62 um

S = 134.1 um2

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En la tabla 1 [15] se muestra el porcentaje en peso de hi-

drógeno que es posible obtener a partir de distintos hidruros,

así como la temperatura necesaria para que lleve a cabo la

reacción.

6. Desarrollo analítico

Para determinar la capacidad de almacenamiento de hidró-

geno en el hidruro de Magnesio (MgH2). Es muy importan-

te, en primera instancia determinar la cantidad de hidrógeno

que puede contener una muestra de MgH2 obtenida median-

te un hidrurador. Lo cual es posible realizar a partir de la

reacción química ya mencionada.

Para el desarrollo del análisis de la muestra se utilizó un equi-

po analizador termogravimétrico. Con el que se puede deter-

minar la cantidad de H2 desprendida de la muestra de MgH

2.

Lo cual se utiliza para calcular la eficiencia de acumulación

de Hidrógeno. El porcentaje teórico de hidrógeno obtenido

por la reacción se expresa por medio de la ecuación 3:

(3)

Si se considera una muestra base de 1000 g de MgH2 se tiene

que:

A partir de esto, la cantidad de hidrógeno que se puede obte-

ner es de 76.59 gramos. Lo que representa el 7.59% mencio-

nado en la tabla 1. Mientras que el porcentaje real obtenido

de manera experimental es del 5.995%. Por lo que es posible

fijar una eficiencia de la reacción del 77.76%. Con base en el

resultado experimental del hidrógeno captado, se puede de-

terminar el tiempo que podría funcionar un motor, considé-

rese el caso por ejemplo de un motor de 800 watts. Aplicán-

dose el siguiente procedimiento:

6.1. Carga producida por el hidrógeno

En esta sección se presenta el desarrollo analítico para deter-

minar la carga eléctrica que se puede producir con el volu-

men captado de hidrógeno.

PMH = 1.00796g H

Se tiene definido que:

1 equivalente químico = 96 500 Coulombs

Para el cálculo de la corriente eléctrica se considera que la

potencia es el consumo de energía por unidad de tiempo y se

expresa de la siguiente manera:

P = E/t (4)

Donde: P es la potencia en watts (W), E es la energía en

joules (J) y t es el tiempo en segundos (s). Asimismo, la po-

tencia se puede expresar en función del voltaje y la intensi-

dad de corriente como:

P = V I (5)

Donde la I representa a la intensidad de corriente en Amperes

(A), V es el voltaje en volts (V). De la ecuación 5 se despeja

Detección y aislamiento de fallas en el

sistema térmico IFATIS

Salvador Saucedo-Flores,

Efraín Alcorta-García.

Fig. 5. Representación de H2 contenido en el metal (Curva PTC).

Tabla 1. Relación de hidruros, y temperatura para que se lleve acabo la reacción [15].

Hidruro

metálico

PdH

VH2

AlH3

KH

NaH

MgH2

CaH2

LiH

Porcentaje

en peso H2

0.60

3.80

10.00

2.50

4.20

7.59

4.80

12.60

ΔH

(KJ/mol-H2)

−33.5−17.3−46.0−57.7−56.5−75.3

−181.5−116.3

T

(ºC)

2535

150415425300600720

↔MgH2 Mg + 2H+

1000 g MgH2

1 mol MgH2

27.321g MgH2

2 mol H

1mol MgH2

1.008 g

1mol H= 76.59g H

76.59 g H1 mol MgH

2

1.08 g H

2 eq

1mol H

96500 C

1 eq= 11 402 387 C

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la intensidad de corriente y se presenta de la siguiente manera:

I = P / V (6)

Por lo que el flujo de electrones por unidad de tiempo se

puede obtener mediante la siguiente expresión:

I = W / V (7)

Siendo W, watts, para el motor propuesto se tendría:

La corriente o intensidad eléctrica es el flujo de carga por

unidad de tiempo que recorren los electrones al moverse li-

bremente en un material conductor.

6.2. Desempeño energético del motor

Utilizando la ley de Coulomb para determinar la corriente

eléctrica, la cual establece la relación que existe entre ener-

gía por unidad de tiempo y se expresa en Coulombs por se-

gundo [17]:

I = C / t (8)

Donde, despejando C de la expresión anterior se obtiene que:

C = I t (9)

Si se considera que un equivalente químico corresponde a 96

500 coulombs, es posible determinar el tiempo operativo del

motor de 800 watts de potencia. Al considerar la capacidad

de hidrógeno contenido en el recipiente de diseño así como

la eficiencia de la reacción, se tiene que a partir de 59.55 g

de H2, es posible establecer que el tiempo de operación del

motor de 800 watts es:

El tiempo que podrían operar distintos motores a diferentes

voltajes, utilizando la celda de combustible antes menciona-

da se muestra en la tabla 2.

7. Conclusiones

En el análisis que se plantea en este artículo, se determina en

términos ideales, la cantidad de energía eléctrica que se puede

generar con el hidrógeno en fase sólida contenido en una mues-

tra de 1000 g de hidruro de hagnesio (MgH2), con base en el

porcentaje en peso almacenado de hidrógeno utilizando como

metal anfitrión al magnesio, se puede definir el porcentaje

teórico a partir de los datos de la tabla , que es de 7.59% y

comparar esto con el valor obtenido mediante el método

termogravimétrico que es de 5.995% en peso. Este porcentaje

representa una eficiencia de almacenaje del método utilizado

que es de 77.76% respecto al teórico ideal de 7.59% obtenido

de la tabla 1. Lo cual permite establecer un parámetro de refe-

rencia real para proponer la descripción del análisis cuantita-

tivo y así estimar la cantidad de energía acumulada de hidró-

geno en la fase solida (MgH2). Esta cantidad energética se

pondera con base en la cantidad de energía eléctrica extraída

del hidrógeno almacenado en el hidruro.

Para establecer la intensidad de corriente que se puede obte-

ner a partir de un análisis atómico de hidrógeno. Se utiliza

como equivalente químico el número de Faraday que es 96

500 Coulombs. Lo cual permite la obtención de la intensi-

dad de corriente en amperes por segundo y así la estimación

del rendimiento de la energía en diversos motores.

Como parte de la memoria de cálculo se incluyen los análisis

teóricos de elementos que forman parte del efecto final de

conversión a energía eléctrica.

También es importante mencionar, que se estima que el reci-

piente que se necesita para almacenar el hidrógeno, tendría

dimensiones aproximadas de 10 cm de diámetro por una lon-

gitud de 40 cm. Lo cual se podría considerar aceptable para

ser instalado en vehículos automotores.

AgradecimientosLos autores agradecen el apoyo otorgado por el gobierno mexi-

cano por parte del Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología y el

Instituto Politécnico Nacional para el desarrollo de este trabajo.

Tabla 2. Tiempo de operación de diferentes motores alimentadospor el volumen de Hidrógeno de la celda de combustible

a partir de 1000 g de MgH2.





I = =W

V

800 W

110 V= 7.27 A

t =

1 hora

3600 s

1 día

24 horas= 18.146 días

11402387 A/s

7.2727 A

Motor

HP

1

5

10

1

20

30

Potencia

watts

745.7

3728.5

7426.9

3728.4

44741.9

223709.0

Corriente

amper/s

7.27233.89067.79016.940

108.600508.430

Voltaje

volts

110110110220440440

Tiempo

días

18.1403.8931.9467.7901.2100.778

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